用于高温电池系统的再循环设备及方法
【技术领域】
[0001]世界上大多数能量借助石油、煤、天然气或核动力产生。至于例如可用性和环境友好等方面，所有这些生产方法都具有它们的具体问题。至于环境方面，尤其石油和煤在燃烧时会造成污染。核动力的问题至少在于使用过的燃料的贮存。
[0002]尤其由于环境问题，已经研发了更环境友好并且例如比上述能源效率更高的新能源。经由环境友好工艺中的化学反应将燃料(例如沼气)的能量直接转换成电能的燃料电池以及将电能转换成燃料的电解槽是充满希望的未来能量转换装置。
【背景技术】
[0003]如图1提出的燃料电池包括阳极侧100和阴极侧102以及位于其间的电解质材料104。在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧106被馈送到阴极侧102，并且通过接收来自阴极的电子而还原成负氧离子。负氧离子经过电解质材料104到达阳极侧100，在阳极侧100，负氧离子与燃料108反应，生成水，通常还生成二氧化碳(C02)。阳极100和阴极102经由外部电路111连接，外部电路111包括用于燃料电池的负载110，以取出电能以及离开系统的热。在电解操作模式(固体氧化物电解电池(SOEC))下，反应被逆转，S卩，热以及来自源110的电能被供给到电池，在电池处，水往往还有二氧化碳在阳极侧被还原，形成氧离子，氧离子穿过电解质材料移向阴极侧，在阴极侧，发生对氧的去电离。在SOFC和SOEC两种模式下均可以使用相同的固体电解质电池。在这样的情况下并且在本说明书的背景下，电极通常基于燃料电池操作模式而命名为阳极和阴极，而在纯粹的SOEC应用中，氧电极可命名为阳极。
[0004]固体氧化物电解槽电池在允许发生高温电解反应的温度下进行操作，所述温度通常介于500°C到1000°C之间，但甚至超过1000°C的温度也可能是有用的。这些操作温度类似于SOFC的这些条件。净电池反应生成氢气和氧气。一摩尔水的反应在下面示出，水的还原发生在阳极处:
[0005]阳极:H20+2e—>2出+02—
[0006]阴极:02——>l/202+2e—
[0007]净反应:Η2θ--->Η2+1/2〇2
[0008]图2中提出了SOFC装置，作为高温燃料电池装置的实例。SOFC装置可以利用诸如烃类(诸如天然气或沼气)、酒精(诸如甲醇)、或者甚至氨的燃料。图2中的SOFC装置包括位于堆叠形成物103(S0FC堆叠)中的一个以上燃料电池，通常是多个燃料电池。每个燃料电池均包括如图1中提出的阳极100和阴极102结构。图2中的SOFC装置还包括燃料换热器105，并且可选地还包括重整器107。通常，若干换热器用于控制燃料电池工艺中不同位置处的热状态。重整器107是可用于将诸如天然气的原料转换成适用于燃料电池的组合物(例如包含氢和甲烷、二氧化碳、一氧化碳和惰性气体的组合物)的反应器。因为重整烃类燃料的工艺需要蒸汽，所以有利的是回收在燃料电池中形成为燃料氧化的产物的水并且使用所述水在重整器中进行燃料重整，从而一旦系统已经运行并发电就不需要将外部水馈送到系统。用于回收在燃料电池中形成为燃料氧化反应的产物的水的实用方法是阳极废气再循环，其中使从阳极排放的气体的一部分再循环，使之经由反馈装置109与未使用的原料混合。
[0009]通过在高温下布置阳极废气再循环，还可以省略至少一个换热器。虽然发电模式下的阳极废气再循环的主要目的是确保重整器进口处的良好的气体成分以促进期望的重整反应，但它的优点还有就是与单独的单程操作比较，提高单程反应物利用的期望水平范围内的总体燃料利用率。在电解操作模式下，废气再循环还可用于在期望的反应物利用率下调节针对最佳电解性能的电池进口组成。在两种操作模式下，阳极气体再循环增加了流过堆叠的总体流体流，改进了气流分布并因此改进了温度和组成分布。
[0010]在启动SOFC或SOEC系统期间，阳极气体的再循环可以用于以下目的:改进来自整个系统的热源的热量分布，或者在关闭期间，用于气体循环的装置可辅助所述系统的冲水稀释。在燃料部分氧化(POX)作为用于维持需要的氧-碳比的装置的情况下，阳极气体再循环可用于以下目的:抑制POX反应器中的意外高温升高。
[0011]完成阳极气体再循环需要这样的装置，S卩，用于回收阳极废气流的一部分并大体上重新加压来提高其压力使之足以克服给定流动的再循环回路中的压力损失。在所述装置的一个现有技术实施方式中，高压燃料馈送用作射流喷射器中的动力流，以夹带阳极废气并将被夹带气体的压力提高至燃料馈入的水平。由于射流喷射器的固定几何形状，这些系统拓扑具有有限的能力来控制重整器或堆叠进口处的再循环率及所得的氧-碳(ο/c)比，且因此通常需要补偿装置，诸如外部供水和系统中的蒸汽发生器，以确保在燃料电池堆叠处具有足够但不过量的蒸汽含量。不足的蒸汽流量可以导致不利地并可能不可逆转地在系统的整个燃料侧的部件中形成烟尘。另一方面，过量的再循环及随之而来的燃料气体稀释虽然对系统的灾难性不如再循环不足，但是将降低燃料电池电压和效率。所述装置的另一现有技术实施方式是完成通过风扇或压缩器增压而需要的再循环压力。由风扇或压缩器进行的再循环为系统操作提供了附加的灵活性和可控性，但需要精密、复杂且可能不可靠的机械。特别是在非常高的温度下完成阳极气体再循环可能提供简化热集成方案的优点、设定困难的设计要求并可能为风扇或压缩器增添复杂性。
【发明内容】
[0012]本发明的目的是一种用于SOFC或SOEC系统的再循环设备，其能够在所述系统中实现有效的反应物利用，从而实现高系统性能，并且确保在所有操作模式下优化阳极侧的热和组分调节，使可行性得到改进并使SOFC或SOEC系统的复杂性降低。这由高温燃料电池系统或电解电池系统的再循环设备实现，所述系统中的每个电池均包括阳极、阴极以及位于所述阳极与所述阴极之间的电解质，所述再循环设备包括至少一个喷射器，用于使从阳极侧排放的气体的一部分再循环。所述再循环设备包括所述喷射器，用以完成再循环流动的期望流量，所述喷射器包括至少一个喷嘴；并且所述再循环设备包括用于向所述喷射器的所述喷嘴提供至少一种主原料流体的装置以及用于向所述喷射器的所述喷嘴提供至少一种补充流体的装置;并且所述再循环设备包括用于调节所述喷射器的流体的至少一部分的相应比率的装置，用以维持所述喷射器的所述喷嘴处需要的动力流和压力，以便完成所述期望的再循环流量。
[0013]本发明还聚焦于一种用于高温燃料电池系统或电解电池系统的再循环方法，在该方法中，使从阳极侧和阴极侧中的至少一侧排放的气体的一部分再循环。在该方法中，通过使用喷射器完成再循环流的期望流量，向所述喷射器的喷嘴提供至少一种主原料流体，向所述喷射器的所述喷嘴提供至少一种补充流体，并且调节所述喷射器的流体的相应比率，用以维持所述喷射器的所述喷嘴处需要的动力流和压力，以便完成所述期望的再循环流量。
[0014]本发明基于的是通过以下手段利用再循环设备，S卩:向所述喷射器的喷嘴提供至少一种主原料流体，向所述喷射器的喷嘴提供至少一种补充流体，并且控制所述喷射器的主原料流体和补充流体的相应比率，用以维持所述喷射器的所述喷嘴处需要的动力流和压力，以便完成期望的再循环流量。
[0015]本发明的优点在于，可以连同可行性改进以及大幅降低高温电池系统的复杂性来实现高系统性能